北方森林土壤微生物化学计量不平衡响应机制研究进展

微生物与其资源间的化学计量不平衡决定了微生物的元素限制,这将改变其碳与养分的利用效率,最终影响微生物驱动的生物地球化学循环。人类活动引起的一系列全球变化,例如,气候变暖、大气CO2浓度升高、氮沉降等会显著改变环境中资源养分的可利用性,这将导致微生物与其资源间的化学计量不平衡,最终影响微生物的代谢和养分循环过程。作为陆地生态系统最稳定的碳库,高纬度的北方森林对气候变化高度敏感,其碳储存的变化将会改变全球碳收支。本文结合以往研究中微生物应对化学计量不平衡的适应策略,对全球变化背景下北方森林土壤微生物应对资源改变的适应机制及研究进展进行了综述,以期进一步理解微生物分解者对陆地生态系统养分循环的调节作用。

施氮对长白山次生林土壤与微生物化学计量比的影响

为了解氮沉降如何改变土壤和微生物化学计量比,进而如何影响土壤的养分循环过程。在长白山山杨-白桦次生林样地以施氮模拟氮沉降的方式,设置3个施氮梯度[0 kg·hm^(-2)·a^(-1)(N0)、25 kg·hm^(-2)·a^(-1)(N25)、50 kg·hm^(-2)·a^(-1)(N50)],探讨施氮对土壤和微生物化学计量的影响,进而指示微生物养分限制特征。结果表明,施氮显著降低土壤速效磷(AP)含量(P<0.05),而显著提高土壤可溶性有机碳(DOC,P<0.05)和硝态氮含量(NO_(3)^(-)-N,P<0.05),从而增大土壤活性组分碳磷比(DOC/AP)和氮磷比(AN/AP),但并不影响土壤全量碳氮磷化学计量比(C/N/P)。相反地,施氮显著提高微生物生物量磷(MBP)含量(P<0.05),而减小微生物生物量碳磷比(MBC/MBP)和微生物生物量氮磷比(MBN/MBP),从而显著增强了土壤和微生物间C/P和N/P的不平衡性(P<0.05)。相关性分析与随机森林分析显示,土壤和微生物间C/P和N/P的不平衡性主要受MBP含量的影响。在施氮条件下山杨-白桦次生林土壤微生物生长明显受磷限制,促使微生物提高磷的利用效率。

不同放牧强度下荒漠草原土壤化学计量失衡与微生物碳利用效率的联系

长期放牧改变了草地生态系统的土壤资源可利用性和微生物生物量化学计量。研究放牧荒漠草原土壤化学计量不平衡与微生物碳利用效率(CUE)的关系,有助于从微生物视角理解土壤碳动态。本研究依托2004年建立的内蒙古短花针茅荒漠草原长期放牧实验平台,以围封禁牧为对照,设置重度、中度和轻度放牧处理,测定了土壤有效养分、微生物生物量及其获取的相关酶活性,并利用生态化学计量法对土壤微生物CUE进行计算。结果表明:与对照相比,放牧抑制了土壤微生物CUE,降幅为1.0%~10.3%;土壤C:N不平衡在中度放牧处理下显著增加20.6%C:P不平衡和N:P不平衡在重度放牧处理分别显著增加20.7%和25.2%,这表明土壤微生物群落更容易受N、P限制。土壤微生物群落通过调节元素阈值计量比和胞外酶的产生来维持自身化学计量平衡。结构方程模型结果表明,化学计量不平衡通过改变元素阈值计量比、微生物生物量化学计量和酶化学计量间接影响微生物CUE。

降水改变下撂荒草地的化学计量失衡改变调节土壤呼吸

降水作为全球气候变化的关键因子,其变化会影响土壤呼吸.微生物是土壤呼吸的关键驱动因素,但是在不同降雨梯度下,针对脆弱生境地区,微生物化学计量与呼吸的关系还不明确.以黄土丘陵区典型撂荒草地为研究对象开展了原位模拟降雨变化的实验(5个降水梯度),测定了土壤呼吸、养分、微生物生物量和胞外酶,并计算微生物计量特征.结果表明:①土壤呼吸(SR)在增雨处理下土壤呼吸显著升高,而在减雨处理下显著降低.②降水变化影响了化学计量不平衡,其中活性资源库氮(N)与磷(P)之间的不平衡(N∶P不平衡)整体呈现出近“U”型趋势,活性资源库碳(C)与P之间的不平衡(C∶P不平衡)仅在2019年变化显著,变化趋势为:P50>P25>CK>D25>D50,表明C∶P不平衡对降雨变化更敏感.③随降雨量的增加土壤β-1,4-葡糖苷酶(BG)降低,氮降解酶活性β-1,4-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶(NAG)和亮氨酸胺肽酶(LAG)之和(NAG+LAP)在两年减雨处理期间显著下降;碱性磷酸酶(ALP)在增雨条件下活性显著增强,而在减雨条件下活性显著减弱;BG∶(NAG+LAP)和BG∶ALP均在增雨条件下显著减少而在减雨条件下显著增强.④偏最小二乘路径模型(PLS-PM)表明,降水变化通过影响化学计量C和P的不平衡和土壤酶的产生改变了土壤呼吸.这些结果突出了降水变化下化学计量不平衡在调节土壤呼吸中的重要性,有助于预测降水变化引起的化学计量变化对陆地生态系统碳循环和养分流动过程的调控.

长江上游大型水库颗粒物沉降及对甲烷产汇的影响

水库修建及运行改变了沿纵向水动力梯度的沉积模式,导致颗粒有机碳(POC)的来源比例变化、不平衡的化学计量沉降,进而改变了甲烷(CH_(4))的产汇变化,影响全球内陆水体碳循环。然而,受筑坝蓄水与水库调度运行影响,变化水文环境中有机碳(OC)来源与迁移转化过程如何影响水库CH_(4)的产汇仍存在较大的不确定性。采用总结与统计分析方法,梳理了近年来长江上游颗粒化学计量、颗粒有机质来源和CH_(4)浓度研究结果,进一步探讨了长江上游大型水库POC的影响因素及对CH_(4)的影响机制。研究发现:陆源POC是长江上游大型水库POC的主要来源,大量的沉积物沉积在三峡水库中部,并在水动力梯度下构成了不平衡的化学计量沉积模式;陆源POC、细颗粒P引起的不平衡化学计量比以及微生物CH_(4)氧化共同驱动并调节了低水平CH_(4)的长期累积。研究成果可为长江上游大型水库CH_(4)的长期趋势预测提供基础。